国分川は真間川へ流入する河川では大柏川に次ぐ規模（計画流量最大地点では大柏川より高い）である。1965年（昭和40年）2月26日告示で一級河川に指定、現在の東側バイパスにあたる市川市内の春木川は1971年（昭和46年）3月20日告示で一級河川に指定された。1979年（昭和54年）度より真間川流域総合治水事業が開始され、真間川水系の一級河川指定区間において河川整備が始まった。その後松戸市内の準用河川春木川区間について後述の国分川分水路整備とともに一級河川への格上げ（千葉県治水事業への組み入れ）要望がなされ、国分川については1994年（平成6年）7月25日告示改正で一級河川指定区間上流端が獅子舞橋から黎明橋まで1,170m延長され、現在の形になった。
松戸市五香西4丁目付近に源を発し西へ流れる。地形が入り組み、道路の地下を流れる部分もある。源流部は正式には「松飛台排水路」という名称であり、日暮7丁目付近で常盤平排水路を合わせ「春木川」となる。住宅街を南下し、黎明橋より更に「国分川」に名称を変える。川幅が広がり、低木や草の繁茂する自然土手になる。紙敷付近で紙敷川を合わせ川幅は最大になるが、和名ヶ谷付近で国分川分水路を西に分ける。増水時は大半の流れが国分川分水路の地下を通り坂川へ流出する。川幅がおおかた狭まった国分川は稔台排水路（和名ヶ谷水路）を合わせて南へ進み、市川市内に入る。稲越町付近で更に春木川を分け、並行して流れる。東国分付近で春木川と再合流すると、間もなく真間川へ流れ込む。河口から黎明橋までの5,560mが一級河川国分川として指定されている。かつては水源部から真間川合流点まで全て「春木川」と呼ばれ、国分川は市川市内の西側バイパスに過ぎなかった。だがそのバイパスであった国分川が主軸として位置付けられ、河口から松戸市内までを「一級河川国分川」に指定して一体的に河川整備を進めていった。その結果として残った「春木川」という河川は名称上、一級河川指定の市川市内東側バイパス（延長2,210m・流域面積2.4k㎡）と、準用河川指定の松戸市内黎明橋より上流（延長1,167m）の2箇所に存在する。
上浦バスストップ（かみうらバスストップ）は、愛媛県今治市上浦町瀬戸の西瀬戸自動車道上のバス停留所である。上り線（尾道方面）は単独で設置、下り線（今治方面）に上浦パーキングエリアに併設されている。
現在の始発駅である中村区役所駅は太閤通（愛知県道68号名古屋津島線）の地下にあり、名古屋市道名古屋環状線が交差している。次駅の名古屋駅（名駅）から今池駅の間は、東西に延びる桜通の地下を通っており、路線名の由来となった区間である。同区間は錦通地下にある東山線と並行しており、同線のバイパス路線としての役割を担っている。今池駅の手前で進路を変え、桜本町駅までの間は南北方向に延びる名古屋市道名古屋環状線の地下を通る。桜本町駅の南で再び進路を東に変え、あとは終点の徳重駅まで東海通（名古屋市道東海橋線）の地下を通る。このうち鶴里駅 - 野並駅間では天白川の下を通るため、名古屋市営地下鉄で唯一の複線シールド構造になっており、両方向の電車が至近ですれ違う様子を見ることができる。桜本町以東の区間では区画整理が進み、それに伴い住宅開発とともに人口の増加が著しい名古屋市南東部郊外の鉄道空白地域を解消する路線としての役割を担っている。以上に述べた路線構造から、桜通線は東山線・名城線・鶴舞線との乗換駅がそれぞれ2駅ずつ設置されている。また、名古屋駅 - 御器所駅間は既存路線との交差駅では全て桜通線が他線の下を通っており、名駅や栄の大規模な地下街を潜るためほとんどの駅が20m近い深度にあることから、名古屋市営地下鉄では最も深い位置を走っている路線でもある（最深は丸の内駅で深度24m）。一方で、桜山駅以南では既存路線と交差するのは名城線と交差する新瑞橋駅のみであるため、同駅や相生山駅・神沢駅以外は深度20m未満の浅い駅が多い。また、名古屋市営地下鉄で唯一、南区と緑区を通る路線でもある。桜通線と他社線との乗換駅は名古屋駅のみであるが、一部の駅（桜本町駅と名鉄名古屋本線の桜駅、新瑞橋駅と名鉄名古屋本線の呼続駅、車道駅とJR中央本線の千種駅、久屋大通駅と名鉄瀬戸線の栄町駅）とは徒歩連絡が可能であり実際に乗り換える人も若干いる（連絡運輸はない）。後発の路線のため、名古屋市営地下鉄では最初にATO（自動列車運転装置）を採用した路線であり、すべての列車で運転士のみが乗務するワンマン運転が実施されている。また、いち早くから可動式ホーム柵（ホームドア）が各駅に導入された路線でもある。名古屋市営地下鉄の中では名城線・名港線・東山線とともに、路線が名古屋市内に収まっており、営業運転で車両が名古屋市外に出ない路線である。桜通線の車両整備等は徳重駅に併設された徳重車庫で行われている。ただし徳重車庫は小規模であるため、大きな検査が行われる際は丸の内駅に設けられた鶴舞線とを結ぶ連絡線を介して日進市にある日進工場まで自力回送し行っている。徳重開業前は桜通線単独の車庫が存在しなかったため、中村区役所駅の引き上げ線を検車区として、簡単な清掃や車両点検を行っていた。また、現在本線となっている野並駅以東の線路も徳重延伸に備えて野並開業時より長めに造られて留置線として使われていた。接近メロディの曲名は中村区役所駅方面が「チェリー」、徳重駅方面が「オーバル」である。